TD: Réactions acido-basiques








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TD: Réactions acido-basiques




Exercice n°1: Diagramme de distribution pour un couple monoacide - monobase

Diagrammes de prédominance et de distribution
On souhaite tracer le diagramme de distribution des espèces acido-basiques de l’acide nitreux HNO2. On donne pKa (HNO2/NO2-) = 3,2.

  1. Tracer le diagramme de prédominance des espèces acido-basiques de l’acide nitreux.

  2. Exprimer le pourcentage des espèces HNO2 et NO2- dans la solution en fonction de la constante d’acidité et de la concentration des ions oxonium [H3O+].


Remarque : le pourcentage de l’espèce HNO2 est défini par

avec cT = [HNO2] + [NO2-]


  1. Tracer l’allure du diagramme de distribution des espèces acido-basiques de l’acide nitreux.


Exercice n°2: Diagramme de distribution de l'acide pyrophosphorique

Lecture d’un diagramme de distribution ; constante d’acidité




L'acide pyrophosphorique de formule H4P2O7 est un tétra-acide noté H4A. Le document ci-contre donne son diagramme de distribution en fonction du pH. Les courbes tracées représentent le pourcentage de chacune des espèces contenant A lorsque le pH varie.


  1. Identifier chacune des courbes.




  1. En déduire les constantes pKai relatives aux quatre couples mis en jeu. Calculer également les constantes d’équilibre Kaj correspondantes.




  1. Un volume de 400 mL a été obtenu en dissolvant une quantité n = 0,035 mol d'acide pyrophosphorique. Déterminer la concentration des espèces présentes dans le mélange lorsque le pH vaut 8,0.



Exercice n°3 Calcul d’une constante d’équilibre


  1. Calculer la constante d’équilibre K associée à la réaction :




  1. CH3COOH(aq) + NH3(aq) = CH3COO-(aq) + NH4+(aq)




  1. A la température de travail, on donne pKa1 (CH3COOH/CH3COO-) = 4,8 et pKa2 (NH4+/NH3) = 9,2

Exercice n°4: Diagramme de distribution de l'acide citrique


Lecture d’un diagramme de distribution ; constante d’acidité
L'acide citrique, de formule C6H8O7, est un triacide que l'on notera H3A. Le document ci-dessous, donne son diagramme de distribution en fonction du pH. Les courbes tracées donnent le pourcentage de chacune des espèces contenant A en fonction du pH.


  1. Identifier chacune des courbes.

  2. En déduire les constantes pKai et Kai relatives aux trois couples mis en jeu (i=1, 2 et 3).

  3. Déterminer les équations des courbes de répartition.

On prépare V0 = 250 mL de solution en dissolvant dans de l'eau distillée m0 = 1,05g d'acide citrique monohydraté C6H8O7, H2O. La solution est agitée jusqu'à atteindre son état d'équilibre. On notera (S) cette solution à l'équilibre.

On introduit dans (S) quelques gouttes d'hélianthine. Une coloration rose apparaît, ce qui montre que le pH de la solution est inférieur à 3,1.


  1. Calculer la concentration apportée C0 en acide citrique;

  2. D'après le diagramme de répartition, quelles sont les formes acido-basiques de l'acide citrique dont la concentration est négligeable dans (S)?

  3. Ecrire l'équation chimique de la réaction responsable du fait que la solution (S) soit acide.

  4. Déterminer par le calcul la concentration des espèces non négligeables, leur pourcentage, ainsi que le pH de la solution. Vérifier graphiquement.

  5. Déterminer alors la concentration des espèces minoritaires et vérifier qu'on avait bien raison de les négliger.


Données:

M(C) = 12,0 g.mol-1 M(O) = 16,0 g.mol-1 M(H) = 1,0 g.mol-1



Exercice n°5: Calculs de pH


  1. Calculer le pH d’une solution d’acide chlorhydrique de concentration en soluté apporté c=0,010mol.L-1.




  1. Calculer le pH d’une solution benzoïque C6H5COOH de concentration en soluté apporté c=0,010mol.L-1 dans un volume V=1,00 L. Donnée : pKa (C6H5COOH/C6H5COO-) = 4,2).




  1. Calculer le pH d’une solution de benzoate de sodium de concentration en soluté apporté c=0,010mol.L-1 dans un volume V=1,00 L. (Donnée : pKa (C6H5COOH/C6H5COO-) = 4,2)


Exercice n°6: Formes acido-basiques de l’acide tartrique

L'acide tartrique est un diacide fréquemment rencontré dans de nombreuses denrées alimentaires d'origine végétale. On le notera H2T dans cet exercice.

Une solution alimentaire contient 7,5 % en masse d'acide tartrique (soit une concentration totale égale à 0,50 mol/L), présent sous ses différentes formes acido-basiques. Le pH de la solution est égal à 4.


  1. Préciser la forme majoritaire de l’acide tartrique à pH=4. Quelle hypothèse peut-on faire sur la cocnentration en H2T ?

  2. Calculer la concentration molaire des différentes formes acido-basiques de l'acide tartrique dans la solution.


Données : pKa1(H2T/HT-) = 3,0 ; pKa2(HT-/T2-) = 4,4.
Exercice n°7: Propriétés acido-basiques de la silice

Combinaison linéaire d’équations, diagramme de prédominance
La silice pure SiO2 (s) se dissout dans l'eau selon l'équilibre suivant :

SiO2(s) + 2 H2O(l) = H4SiO4(aq) K = 10-2,7
La forme dissoute de la silice H4SiO4(aq) est associée aux constantes successives d'acidité :

Ka1 = 10-9,5 et Ka2 = 10-12,6.


  1. Tracer le diagramme de prédominance des différentes espèces acido-basiques de la silice dissoute.

  2. Sachant que le pH des eaux naturelles est généralement compris entre 7 et 8, quelle est la forme prédominante en solution de la silice ?

  3. Pour une eau dont le pH est compris entre 10 et 12, écrire l'équation bilan de dissolution de la silice en milieu basique (présence d’ions OH-). Calculer la constante K’1 de cet équilibre en fonction de K, KA1 et Ke.

  4. Pour une eau dont le pH est compris entre 13 et 14, écrire l'équation bilan de dissolution de la silice (en milieu basique). Calculer la constante K’2 de cet équilibre en fonction de K, KA1, KA2 et Ke.


Exercice n°8 : Mélange d’un acide faible et d’une base faible

Calculs de pH, réaction prépondérante
On prépare 200mL de solution en dissolvant 2,00x10-2 mol de chlorure d'anilinium (pKa=4,5) et 3, 00x10-2 mol de borate de sodium (pKa=9,2 pour HBO2).

  1. Tracer un diagramme de prédominance des espèces acides et basiques des deux couples.

  2. Déterminer la réaction prépondérante. Quelle hypothèse peut-on faire sur cette réaction : totale ? nulle ? équilibre chimique ?

  3. Déterminer la composition finale du système. En déduire le pH de la solution.

  4. Valider l’hypothèse de la question 3 en déterminant la quantité de matière de chlorure d’anilinium dans l’état final.


Exercice n°9 : Mélange de deux acides et d'une base forte
On prépare 1,00L de solution en dissolvant:

  • 0,10 mol de chlorure d'hydrogène HCl,

  • 0,20 mol d'acide sulfurique H2SO4,

  • 0,35 mol d'hydroxyde de sodium NaOH.


On rappelle que HCl est un acide fort et NaOH est une base forte.

L'acide sulfurique est un diacide, dont seule la première acidité est forte.est un acide faible. On donne: = 2,0.


  1. Ecrire les équations bilans de dissolution totale dans l'eau de ces différentes espèces, acides forts ou base forte. En déduire les concentrations apportées des différentes espèces jouant un rôle dans les équilibres acido-basiques de ce problème.




  1. A l’aide d’un diagramme, déterminer la réaction prépondérante puis calculer sa constante d'équilibre. Déterminer la composition du système dans l’état final, à l'issue de cette première réaction.




  1. A l'issue de ce premier bilan, déterminer la deuxième réaction prépondérante et calculer sa constante d'équilibre. Déterminer la composition du système dans l’état final.


Exercice n°10: Couple acide/base

Combinaison linéaire d’équation ; réaction prépondérante ; calcul de pH

On étudie les propriétés acido-basiques des ions dichromate Cr2O72- et des ions chromate CrO42-.


  1. Montrer que le couple (Cr2O72-, CrO42-) constitue un couple acide-base.

  2. Déterminer la valeur de son pKa.

  3. Calculer le pH d'une solution de dichromate de potassium de concentration 2,5.10-2 mol.L-1.


Données: pKa (HCrO4-/CrO42-) = 7,2

Cr2O72- + H2O =2 HCrO4- K = 10-1,6
Exercice n° 11: Solution tampon
On suppose cultiver des bactéries qui demandent un environnement acide. Pour cela on prévoit de les faire croître dans une solution tampon de pH voisin de 4 réalisée à partir de 0,080 mol d’acide éthanoïque CH3COOH(aq) et 0,040 mol d’acétate de sodium CH3COO-(aq).
On donne : pKa(CH3COOH(aq)/CH3COO-(aq))=4,75.


  1. Déterminer la réaction prépondérante lors du mélange en solution aqueuse de ces deux espèces.

  2. Déterminer l’avancement de la réaction prédominante puis le pH de la solution tampon ainsi réalisée.


On dissout 0,030 mol d’hydroxyde de sodium NaOH dans la solution tampon. On souhaite calculer la variation de pH de la solution tampon.


  1. Identifier la réaction prédominante. Est-elle totale ? nulle ? équilibre chimique ?

  2. Déterminer la composition du système dans l’état final.

  3. Calculer la nouvelle valeur du pH et commenter la valeur obtenue. Réponse : pH=4,90.

  4. Si l’on avait ajouté la même quantité de soude dans 500 mL d’eau pure, quelle aurait été la variation de pH ? Réponse : pH=12,8.



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